Plusieurs travaux de recherche ont été réalisés afin de montrer le potentiel des CFN dans divers secteurs industriels tels que l’automobile, la construction, l’aéronautique [5, 8, 9, 19, 20, 22, 127-132]. Alves et coll. [132] ont démontré, à travers une analyse de cycle de vie, les avantages, en termes de réduction de la consommation en carburant et de diminution de masse, à utiliser des CFN à fibres de jute comparativement aux composites à fibres de verre pour la fabrication du capot avant d’un véhicule tout terrain. Shah et coll. [22] ont montré que les composites à fibres (UD) de lin pouvaient se positionner comme de potentiels remplaçants des composites à fibres de verre dans des éoliennes de petite dimension (diminution de la masse des fibres d’environ 45 %). Goutianos et coll. [35] ont étudié l’effet de la torsion des fils sur les propriétés mécaniques des CFN. Pour des fibres de lin, cette torsion doit être assez élevée pour permettre le tissage ou le tricotage mais assez basse pour limiter l’effet du désalignement des fibres dans les composites (entraînant une chute de propriétés mécaniques) tout en favorisant l’imprégnation du fil.
Les renforts UD se prêtent bien à la fabrication de composites destinés aux applications structurales car ils permettent de maximiser la rigidité et la résistance [61]. Dans ce type d’application, les UD sont principalement utilisés sous forme de préimprégnés et les procédés de fabrication utilisés sont le thermoestampage [72, 133, 134] ou le placement automatique des fibres (suivi de la cuisson en autoclave) [135-137]. Pour les renforts secs, différents procédés tels que l’infusion de résine ou le RTM permettent d’obtenir des composites ayant de bonnes performances. Ces procédés nécessitent une étape de préformage qui peut être très délicate surtout dans le cas des UD car il faut pourvoir maintenir le parallélisme des fils UD. Pour cela, différentes approches sont utilisées pour limiter le désalignement des fils.
Le tissage permet de limiter quelque peu le désalignement des fils mais peut endommager les fibres. Une autre possibilité est d’utiliser un liant continu [61, 138-140]. Lebrun et coll. [61] ont montré que l’utilisation d’un liant continu en papier pour maintenir l’alignement des
fils UD permet de minimiser la variabilité des valeurs de résistance et de module en tension des composites comparativement aux composites UD-lin-époxy classiques; même si leurs propriétés mécaniques restent quelque peu inférieures.
La perméabilité des renforts UD/papier nécessite cependant une optimisation notamment au niveau de la structure de la couche papier. Habibi et coll. [141] ont montré que pour améliorer la perméabilité des renforts UD/papier, il faut que le grammage du liant soit plus faible et qu’une forte proportion de fibres longues (5 ou 10 mm) de lin soit intégrée au liant afin d’ouvrir davantage sa structure et ainsi d’en augmenter la porosité pour l’imprégnation. Une autre conséquence de cette modification du liant est l’amélioration de la résistance et du module d’élasticité du composite comparativement à un composite UD/papier-époxy classique. Habibi et coll. [54] ont aussi remplacé la couche papier par un mat de fibres courtes de lin comme liant des fils UD. Même si l’ajout du mat se traduit par une baisse légère de la résistance et du module longitudinal en tension et en flexion, comparativement aux composites UD-lin époxy classiques, il occasionne une augmentation significative de ces mêmes propriétés dans la direction perpendiculaire aux fibres UD et une réduction de la variabilité. Ces améliorations sont causées par la couche mat qui maintient la cohésion des fils UD et leur alignement durant la fabrication des composites tout en améliorant les propriétés transverses. Mais plus encore, une homogénéisation de la porosité est observée du fait de l’utilisation de ce type de liant. En effet, comme le mat est fabriqué directement sur la couche UD par projection des fibres courtes sur sa surface, ces dernières peuvent combler les aspérités existantes entre les fils UD, aidant par le fait même à stabiliser les propriétés mécaniques en limitant les zones riches en résine. L’ajout de ce type de liant modifie la surface de rupture des éprouvettes en tension, qui passe d’un aspect en dents de scie (pour les composites UD-lin époxy) accompagné de fissures longitudinales à une surface de rupture relativement plate et confinée (pour les composites UD/mat-époxy) présentant peu ou pas de fissures longitudinales. Toutefois, à Vf constant, l’augmentation du grammage du liant mat
au détriment de celui de la couche UD se traduit par une baisse des propriétés mécaniques [54]. Le Tableau 2.1 montre qu’à taux volumiques de fibres similaires, les composites faits de renforts UD/mat présentent des propriétés en tension équivalentes à celles publiées dans la littérature.
Tableau 2.1: Valeurs publiées dans la littérature pour le module et la résistance en tension des composites lin/époxy.
Type de composite Types de renfort Technique de fabrication Vf (%) Module de tension longitudinale (GPa) Résistance en tension longitudinale (MPa) Réf. Lin/époxy UD/mat RTM 40,0 ±0,0 25,9 ± 1,0 292,4 ± 8,4 [54] Lin/époxy UD IR 40,0 ±0,0 28,0 ± 0,0 133,0 ± 0,0 [145] Lin/époxy [0,90]n UD RTM 40,0 ± 2,0 15,0 ± 0,8 159,6 ± 9,3 [142] UD/mat 14,6 ± 0,3 138,1 ± 3,3
Lin/époxy UD Moulage par compression 42,0 ±1,0 22,0 ± 0,6 362,0 ± 19,0 [146] Lin/époxy UD RTM 42,0 ±0,0 35,0 ± 3,0 280,0 ± 15,0 [44] Lin/époxy [0,90] Cousus biaxial équilibré Préimprégné 42,3 ± 0,3 11,1 ± 0,2 101,0 ± 2,0 [147]
Habibi et coll. [142] ont étudié les effets de différentes séquences d’empilement ([0/90]n,
[0]n, [±45]n) sur les propriétés mécaniques en tension, compression et cisaillement des
composites UD/mat-époxy. Il ressort que dans le cas du composite [0/90]n lin-époxy, l’effet
du liant mat des renforts sur les propriétés en tension n’est pas significatif lorsqu’on compare les mêmes propriétés aux composites lin-époxy faits de renforts UD classiques.
Finalement, les préformes et renforts à fibres naturelles sont plus difficiles à compacter que ceux à fibres de verre, ce qui affecte leurs propriétés [106, 107, 143]. D’après Bo Madsen [107], cette différence tiendrait à la structure des préformes à fibres naturelles qui sont principalement constituées de fils discontinus et torsadés comparativement à celle des
préformes en fibres de verre dont les fils sont continus et parallèles. Par conséquent, différentes approches existent pour augmenter le taux de fibres dans les CFN [106, 108, 144]. Gu et coll. [108] ont montré que l’augmentation de la température et de la pression de compaction des préformes constituées de tissus de ramie pouvait permettre d’augmenter les propriétés mécaniques (en tension et en flexion) des composites ramie-époxy. Cependant, au-delà d’une pression de compaction de 0,5 MPa et une température de 120 °C, les propriétés mécaniques commencent à chuter car cette combinaison de paramètres peut endommager les fibres [108].
En conclusion, à taux volumique de fibres identiques, les propriétés mécaniques des composites UD/mat lin-époxy ou UD/papier-époxy se comparent assez bien à celles publiées dans la littérature pour les composites UD lin-époxy. De plus, la présence du liant (mat ou papier) conduit à une augmentation significative de la résistance et du module dans le sens transverse et une réduction de la variabilité des propriétés mécaniques observées dans le cas des composites UD lin-époxy classiques. Cette augmentation peut être rattachée à la présence du liant qui agit comme un mat dans le sens travers tout en limitant le désalignement des fils et la formation de zones riches en résine entre les fils UD).